光子晶體回旋管相關(guān)問題的研究.pdf

1、太赫茲作為介于毫米波與紅外光之間的過渡波段，它既具有毫米波的特性同時(shí)又有光的特性，具有重要的應(yīng)用前景，它的產(chǎn)生和應(yīng)用是目前國際上的研究熱點(diǎn)。電子回旋器件已被證明是目前最有可能產(chǎn)生大功率太赫茲信號(hào)的器件。為了增大注-波互作用腔體的尺寸，增大功率容量，減小尺寸共渡效應(yīng)引起的一系列問題，太赫茲回旋管通常工作于高階模式。然而高階模式工作時(shí)的相應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)模式較多，為解決高階模式的模式競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重問題，新型回旋管高頻結(jié)構(gòu)的研究成為必要。光子晶體結(jié)構(gòu)由于具有

2、光子禁帶特性，通過在其禁帶中引入缺陷的方式，可以很好的實(shí)現(xiàn)模式選擇特性，降低模式密度，減少模式競(jìng)爭(zhēng)，從而解決太赫茲回旋器件過模工作引起的一系列問題。因此，光子晶體回旋管相關(guān)問題的研究具有非常重要的意義。
　　本文根據(jù)固體物理的晶格理論，對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)的帶隙特性進(jìn)行了研究，通過引入缺陷的方式，利用光子晶體帶隙特性設(shè)計(jì)了0.1THz工作于類TE04模式的光子帶隙諧振腔，并對(duì)該光子晶體回旋管的電子光學(xué)系統(tǒng)及輸出窗等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析。<

3、br>　　本文的主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新之處概述如下：
　　1、從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導(dǎo)了光子晶體結(jié)構(gòu)的本征方程，并研究了光子晶體結(jié)構(gòu)的縮放法則等特性。根據(jù)固體物理中的晶格理論求解出二維光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)材料及金屬材料結(jié)構(gòu)的帶隙特性，通過理論及仿真相結(jié)合的方法獲得無氧銅金屬柱三角形晶格及正方形晶格TE波全局帶隙圖。
　　2、為了獲得更好的模式選擇性，對(duì)二維正三角形陣列光子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。根據(jù)二維三角形晶格TE波全局帶隙圖，通過

4、等效半徑的方法，得出不同缺陷情況時(shí)光子晶體全局禁帶內(nèi)所存在的模式分布圖。選擇競(jìng)爭(zhēng)模式較少且模式分隔度較大的角向?qū)ΨQ性良好的 TE04模為工作模式。通過理論分析及軟件仿真研究了光子晶體諧振腔中的模式分布，并與圓柱腔進(jìn)行對(duì)比，得出所設(shè)計(jì)的光子晶體諧振腔中TE04模場(chǎng)分布與圓柱波導(dǎo)中TE04模場(chǎng)分布很接近。通過回旋管相關(guān)理論定出工作于0.1THz波段時(shí)，該回旋器件的工作電壓，電流，磁場(chǎng)，引導(dǎo)中心半徑等工作參數(shù)。
　　3、根據(jù)0.1THz

5、光子晶體回旋管高頻結(jié)構(gòu)對(duì)電子注性能要求，理論分析了該光子晶體回旋管的磁控注入式電子槍結(jié)構(gòu)，根據(jù)其理論分析結(jié)果，初步確定出工作于0.1THz回旋管的電子槍結(jié)構(gòu)。通過軟件仿真對(duì)其初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，設(shè)計(jì)出滿足該回旋器件需求的電子槍結(jié)構(gòu)。并介紹了已應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)電子槍結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用于W波段回旋管引導(dǎo)中心半徑3mm，橫縱速度比為1.4，速度離散小于3％的單陽極電子槍結(jié)構(gòu)和應(yīng)用于420GHz二次諧波回旋管中引導(dǎo)中心半徑1.95mm，橫縱速度比

6、為1.4的雙陽極電子槍。實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果均較為理想，與理論設(shè)計(jì)相符，證明所編程序仿真優(yōu)化電子槍的正確性。
　　4、介紹了幾種常用的輸出窗結(jié)構(gòu)，采用模式匹配的方法求得計(jì)算單窗片輸出窗傳輸理論，通過理論與現(xiàn)有商業(yè)軟件仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證該理論方法的正確性，此理論方法相較于商業(yè)軟件仿真方法更加迅速快捷，從而大大降低了工程設(shè)計(jì)周期和計(jì)算成本。根據(jù)單窗片輸出窗理論，采用傳輸矩陣級(jí)聯(lián)的方法得出多窗片傳輸理論。通過合理的設(shè)計(jì)多窗片結(jié)構(gòu)，獲得 TE0

7、4模式反射小于-20dB的帶寬為9.45GHz，相對(duì)帶寬為10%的雙窗片結(jié)構(gòu)；通過對(duì)三窗片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出在78-131.4GHz范圍內(nèi)對(duì)TE04模反射均小于-20dB的三窗片結(jié)構(gòu)，該窗片-20dB帶寬為53.37GHz。對(duì)于輸出模式為高斯模式的器件，輸出窗通常采用布魯斯特窗，而對(duì)于存在于波紋波導(dǎo)中的高斯模式通常為HE11模，為了更好的傳輸HE11模式，通過將布魯斯特窗與波紋波導(dǎo)相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)出一款新型布魯斯特窗。采用矢網(wǎng)分析